随着微电子技术向微型化、智能化、低功耗方向快速发展，铁电材料凭借可翻转的自发极化特性，成为下一代非易失性存储器、高灵敏度传感器、神经形态计算芯片的核心候选材料。其中，钪镓氮（ScGaN）为代表的纤锌矿氮化物铁电体，因兼具优异铁电性能与现有半导体工艺的高度兼容性，成为铁电领域的研究热点。而铁电畴壁作为分隔不同极化区域的关键界面，直接决定铁电材料的存储、导电、传感等核心性能，但其原子构型、物理机制长期处于“黑箱”状态，传统电学测量仅能获取宏观性能数据，无法窥探微观原子世界的奥秘，严重制约了高性能铁电器件的研发进程。科学指南针一直关注铁电材料的原子尺度表征进展，助力新型功能材料研发。

聚焦离子束（FIB）与球差校正扫描透射电镜（AC-STEM）的黄金组合，彻底打破了这一技术壁垒，成为揭秘铁电畴壁原子结构的终极解决方案。FIB如同“原子观测窗口搭建师”，凭借纳米级精准加工能力，为原子级成像搭建完美观测平台；AC-STEM则堪称“原子尺度超级显微镜”，通过校正透镜像差，实现亚埃米级超高分辨率成像，直接“看见”原子的种类、位置与局域电场分布，两者协同构成“样品制备-原子解析”的完整技术链条，为铁电材料研究打开了全新视角。

在ScGaN铁电材料的研究中，FIB技术发挥了不可替代的作用。研究团队采用等离子体FIB系统，创新性运用“两步法”制备横截面样品：第一步，使用较高能量离子束对样品进行快速切割，快速成型出目标观测区域；第二步，关键切换至5kV低电压、10pA低电流的离子束进行精细抛光，这一步极大降低了离子辐照对铁电材料敏感结构的损伤，成功制备出厚度约100纳米、表面洁净无损伤的超薄观测区。这一高质量样品是实现原子级成像的前提，若没有FIB低损伤精准制样技术，后续任何高分辨观测都无法开展。

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制样完成后，AC-STEM承担起原子尺度解析的核心任务。在300kV球差校正电镜下，研究人员综合运用多种先进成像模式，全方位解析ScGaN畴壁结构：HAADF成像依托原子序数衬度，清晰定位Sc、Ga等重金属原子柱，直观识别出垂直畴壁（VDW）和水平畴壁（HDW）的存在与分布；iDPC、dDPC成像技术对氮原子等轻元素高度敏感，成功揭示出氮原子的精准位置。

结合HAADF成像结果，完整重构出Sc/Ga-N原子对的排列方式，让畴壁处的八重/四重环（垂直畴壁特征）、独特三角构型（水平畴壁特征）等微观细节一览无余。

基于精准的原子坐标数据，研究团队开展深度定量分析，取得三大颠覆性发现：第一，明确了ScGaN铁电畴壁的原子构型，垂直畴壁（VDW）为电荷中性结构，水平畴壁（HDW）为具有褶皱二维六方结构的带电界面；第二，揭示了水平畴壁的电荷补偿机制，极化不连续产生的正束缚电荷，几乎完全被结构断裂产生的悬挂键电子所补偿，这一机制成为维系四面体铁电体反平行畴壁稳定的通用法则；第三，建立了畴壁原子结构与宏观功能的关联，水平畴壁中悬挂键诱导产生的带隙中间态，是其具备导电性的核心原因，后续电学测量成功演示了畴壁导电通道的可重构性，直接验证了原子尺度观测的科学预言。

这项发表于《Nature》的开创性研究，充分印证了FIB与AC-STEM联用技术的强大能力。二者不仅是观测铁电材料原子结构的“眼睛”，更是连接微观原子世界与宏观器件性能的“桥梁”。它们将抽象的铁电畴壁转化为清晰可视、可精准测量、可深度理解的物理实体，首次完成纤锌矿铁电体畴壁的原子级“可视化”与“测绘”，为高性能氮化物铁电器件的理性设计、结构优化、性能提升提供了不可或缺的实验基石，推动铁电材料从“经验研发”迈入“精准设计”的新时代，也为微电子、量子科技、新能源等领域的材料创新提供了通用技术范式。依托这类高端表征能力，科学指南针持续为前沿材料研究提供可靠支撑。

参考文献：标题： Electric-field-induced domain walls in wurtzite ferroelectrics

作者： Ding Wang, Danhao Wang, Mahlet Molla, et al.

期刊： Nature

卷期页： Vol 641, 1 May 2025, pp 76-82

DOI： https://doi.org/10.1038/s41586-025-08812-7

发布于：福建省